Свет в канале меньше длины волны: российские физики предложили новый волновод для фотонных чипов

Миниатюризация фотонных интегральных схем остается давней задачей оптической инженерии. Однако она упирается в дифракционный предел — фундаментальное ограничение, из-за которого свет в оптических структурах нельзя сжать в область, намного меньшую его длины волны. Классические диэлектрические волноводы не могут удерживать свет в субволновом объеме, а плазмонные структуры на основе золота имеют высокие потери. 

«Наша цель — найти материал и геометрию, которые позволят совместить сильную локализацию поля, как в электронике с приемлемой длиной распространения сигнала в телекоммуникационном диапазоне», — рассказал Андрей Вишневый, заведующий лабораторией нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Для создания компактных фотонных чипов недостаточно просто провести свет по прямому каналу. Нужно одновременно обеспечить: локализацию света в области намного меньше длины волны, достаточную дальность распространения сигнала, возможность изгибать и разветвлять волноводы, а также создавать функциональные устройства — например, делители, модуляторы и интерферометры — с технологически реалистичными размерами.

Физики теоретически проверили, можно ли обеспечить все эти требования с помощью V-образных каналов в тонком слое вандерваальсова материала — оксихлорида молибдена (MoOCl₂). Исследователи выбрали этот материал для создания миниатюрного волновода, потому что его оптические свойства сильно зависят от направления: в одном направлении материал ведет себя как металл, а в другом — как диэлектрик. Благодаря этому в нем могут распространяться гиперболические плазмон-поляритоны — особые гибридные состояния света и вещества, позволяющие локализовать излучение в масштабах меньше длины волны даже более эффективно, чем плазмон-поляритоны в благородных металлах. Также у него есть подходящий для фотонных и телекоммуникационных применений рабочий диапазон — видимого света и ближнего инфракрасного. 

Ученые разработали численную модель V-образного волновода в тонком слое MoOCl₂. Они проверили, может ли такой канал удерживать и направлять световой сигнал, оценили дальность его распространения и выяснили, насколько сильно волновод можно изгибать относительно главного направления распространения света в кристалле. Затем на основе этих данных авторы спроектировали модель интерферометра Маха—Цендера. В нем световой сигнал расщепляется на два луча, которые расходятся по двум каналам, а затем снова объединяются. Если лучи приходят на выход в фазе, сигнал усиливается; если в противофазе — ослабляется. Поэтому интерферометр можно использовать как основу для оптических переключателей, модуляторов и чувствительных датчиков. После этого исследователи сравнили размеры новой структуры с традиционными золотыми волноводами.

«Мы выбрали V-образную геометрию по двум причинам. Первая — электродинамическая, она обеспечивает локализацию электромагнитного поля внутри канавки за счет „стягивания” моды в узкую щель. Это минимизирует влияние дефектов на боковых стенках, в отличие от полосковых волноводов, где края сильно рассеивают сигнал. Во-вторых, технологическая — формирование канавки, например, с помощью ионного травления менее разрушительно для слоистого вандерваальсова материала, чем создание полоски с двумя вертикальными стенками. Края канавки имеют более плавный профиль и меньше рассеивают», — пояснил Кирилл Воронин, аспирант МФТИ. 

Результат показал, что V-образный волновод в MoOCl₂ может направлять свет на телекоммуникационной длине волны 1550 нанометров, сохраняя сигнал на расстоянии около 13,7 микрометра. При этом размеры канала составляют всего около 30 нанометров, то есть устройство остается глубоко субволновым. По сравнению с классической плазмонной структурой на золоте ширина нового устройства уменьшилась примерно в 10 раз, а вертикальный размер — примерно в 25 раз.

У разработанного волновода есть ограничения. Распространение моды возможно только при небольшом отклонении от основного направления в кристалле — примерно до 10°. Это ограничивает топологию схем: такие волноводы нельзя резко поворачивать, поэтому изгибы должны быть плавными. Кроме того, в видимом диапазоне длина затухания оказывается короткой, поэтому волновод наиболее эффективен в телекоммуникационном диапазоне 1260–1625 нанометров, где потери приемлемы.

На основе таких волноводов можно создавать сверхминиатюрные интерферометры Маха—Цендера для модуляции сигнала, оптических переключателей и датчиков; делители мощности с углом разветвления до 10°; резонаторы и другие элементы фотонных интегральных схем нового поколения для телекоммуникаций, оптической обработки сигналов и гибридных кремний-вандерваальсовых чипов. Еще одно возможное направление — ультракомпактные био- и химические сенсоры: из-за сильной локализации поле оказывается чувствительным к изменениям показателя преломления рядом с поверхностью канавки.

«Далее мы планируем изготовление прототипа методами нанолитографии и исследование его оптических параметров. Также мы хотим отработать методику нанесения такого рода канавок на ряд вандерваальсовых материалов с целью создания прототипов планарных чипов. Кроме того, нам интересно проверить возможность управления оптическим путем по одному из плеч интерферометра с помощью электрического поля для модуляции выходного сигнала», — прокомментировала Ольга Матвеева, старший научный сотрудник лаборатории передовой нанофотоники и квантовых материалов МФТИ.

Сейчас разработка нового волновода — на этапе численного моделирования.

Работу выполнили ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Международного физического центра Доностии (Испания), Центра нейрофизики и нейроморфных технологий (Москва), Российского квантового центра и Центра исследований передовых технологий (ОАЭ). Статья опубликована в журнале Photonics. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №24-79-00308).